高一化学人教版学案第三章第一节第1课时铁的单质铁的氧化物铁的氢氧化物

第三章铁金属材料第一节铁及其化合物第1课时铁的单质、铁的氧化物、铁的氢氧化物一、铁的性质1．铁的物理性质铁有延展性和导热性。铁能导电，但其导电性不如铜和铝。铁能被磁体吸引。2．铁的化学性质(1)铁与氧化性较弱的氧化剂(如盐酸、硫酸铜等)反应，铁原子失去2个电子生成＋2价铁的化合物。(2)铁与氧化性较强的氧化剂(如氯气等)反应，铁原子则失去3个电子生成＋3价铁的化合物。(3)红热的铁能与水蒸气发生反应，生成四氧化三铁和氢气。化学方程式：3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2。二、铁的氧化物化学式FeOFe2O3Fe3O4纯净物俗称—铁红磁性氧化铁颜色和状态黑色粉末红棕色粉末黑色晶体铁的价态＋2价＋3价＋2价、＋3价水溶性不溶不溶不溶与盐酸反应(离子方程式)FeO＋2H＋=Fe2＋＋H2OFe2O3＋6H＋=2Fe3＋＋3H2OFe3O4＋8H＋=Fe2＋＋2Fe3＋＋4H2O三、铁的氢氧化物Fe(OH)2Fe(OH)3颜色和溶解性白色固体，不溶于水红褐色固体，不溶于水稳定性在空气中易转化为Fe(OH)32Fe(OH)3eq\o(=,\s\up7(△))Fe2O3＋3H2O与盐酸反应(离子方程式)Fe(OH)2＋2H＋=Fe2＋＋2H2OFe(OH)3＋3H＋=Fe3＋＋3H2O制备Fe2++2OH===Fe(OH)2↓Fe3++3OH===Fe(OH)3↓转化化学方程式4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3现象白色絮状沉淀迅速变为灰绿色,最终变为红褐色1．判断下列说法是否正确：(1)在工业中需要炼制铁单质，所以自然界中无游离态铁(×)提示：自然界中的陨铁中存在铁单质。(2)Fe在纯净氧气中燃烧生成黑色的Fe2O3(×)提示：Fe在纯净氧气中燃烧的产物为Fe3O4。(3)Fe3O4中铁的化合价有＋2和＋3价，为混合物(×)提示：Fe3O4是纯净物。(4)Fe(OH)2易转化为Fe(OH)3，表现强氧化性(×)提示：Fe(OH)2易转化为Fe(OH)3，表现强还原性。2．(2021·宁波高一检测)铁锈的成分中含有铁的氧化物、铁的氢氧化物。研究证明，铁器的生锈与大气中的氧气、水蒸气有关。下列做法中最有利于减缓铁器生锈的是()A.铁锅炒菜后直接放置B.久置不用的铁刀涂抹凡士林在空气中保存C.将铁壶盛水后保存D.铁勺、铁铲放在阴暗潮湿处保存【解析】选B。铁器的生锈与大气中的氧气、水蒸气有关，所以要防止铁生锈，就要尽可能地减少铁器与空气、水分的接触，故选B。3．教材中“思考与讨论”：“白色的Fe(OH)2会被溶解在溶液中的氧气氧化”，在实验室中，怎么除去溶液中的氧气呢？提示：将配制溶液的蒸馏水煮沸，除去其中的氧气。4．杜甫是唐代伟大诗人，他的代表作之一——《自京赴奉先县咏怀五百字》中有句千古名句：“朱门酒肉臭，路有冻死骨。”这里为何称为“朱门”呢？提示：古代王公贵族的住宅大门用氧化铁漆成红色，表示尊贵，称为“朱门”，后来借指豪富人家。铁及其氧化物的性质材料一：铁陨石在化学成分上除Ni和Fe外，还含有Co、S、P、Cu、Cr、Ga、Ge和Ir等元素。有少数铁陨石还含有硅酸盐包体。铁陨石与地球岩石十分相似，所以一般很难鉴别。材料二：从上世纪70年代开始，珍品陨石的价格就已经与黄金相差无几。陨石最终的价值高低，要综合陨石的材质、结构、纹理等一起来评定，稀有陨石则可达到每克万元以上。探究铁的性质1．铁陨石可以应用磁铁检验法，说明单质铁具有哪些性质？提示：说明铁具有可以被磁铁吸引的性质。2．铁陨石中主要含有Fe和Ni，若取少量陨石，加入足量的稀盐酸，你会观察到哪些现象(假设铁陨石的其他成分不与盐酸反应)？请写出相关的化学方程式。提示：现象：部分固体溶解，有气泡冒出；化学方程式：Fe＋2HCl=FeCl2＋H2↑；Ni＋2HCl=NiCl2＋H2↑。3．某化学兴趣小组讨论：金属钠可以与水剧烈反应，生成氢气与氢氧化钠，那么金属铁是否可以与水反应呢？如果反应会生成氢气吗？针对问题，该小组设计出如下的实验装置进行探究。方法方法一(实验改进)方法二实验装置气体检验用小试管C收集一试管气体，点燃，听到轻微的“噗”声，证明生成了H2用火柴点燃肥皂泡，听到爆鸣声，证明生成了H2实验结论铁可与水蒸气反应，生成的气体为H2化学方程式3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2方法二中湿棉花的作用提供反应所需水蒸气掌握铁的氧化物的性质阿尔法磁谱仪又译为反物质太空磁谱仪，我国科学家为磁谱仪倾注了大量心血，磁谱仪已随航天飞船升入太空，开始了探索宇宙中是否存在“反物质”的研究工作。根据你所学的知识推测用于制造阿尔法磁谱仪的核心部件的材料是FeO、Fe2O3、Fe3O4中的哪一种？提示：Fe3O4。制造阿尔法磁谱仪的核心部件的材料是一种具有磁性的物质，在铁的各种化合物中，只有Fe3O4是具有磁性的物质，其他均不具有磁性。2．“秦砖汉瓦”是我国传统建筑文化的一个缩影。都是由黏土烧制的砖瓦(黏土中含有铁元素)，有的是黑色的，有的却是红色的，请分析其颜色不同的原因？提示：砖瓦显黑色的原因：烧制砖瓦时，黏土中的铁元素与O2反应，生成黑色的FeO与Fe3O4。砖瓦显红色的原因：烧制砖瓦时，黏土中的铁元素与O2反应，生成红棕色的Fe2O3。铁的还原性Fe只有还原性，可以被氧化成Fe2＋或Fe3＋。(1)FeFe2＋eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑（盐酸或稀硫酸）,Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋Cu,Fe＋S\o(=,\s\up7(△),\s\do5())FeS))(2)Fe→Fe3O4eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(3Fe＋2O2\o(=,\s\up7(点燃))Fe3O4,3Fe＋4H2O（g）\o(=,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2))(3)FeFe3＋2Fe＋3X2eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())2FeX3(X代表F、Cl、Br)【思考讨论】从氧化还原反应的角度，分析FeO、Fe2O3、Fe3O4的氧化性和还原性。提示：FeO有还原性，Fe2O3有氧化性，Fe3O4既有氧化性又有还原性。但FeO与Fe2O3中Fe元素价态相邻，两者不会反应。FeO、Fe3O4遇强氧化性酸(如HNO3)发生氧化还原反应，＋2价的铁均被氧化成＋3价。【典例】类比是研究物质性质的常用方法之一，可预测许多物质的性质。下列类比推测的说法中正确的是()A．已知Fe与O2能直接化合生成Fe3O4，推测Cu与O2可直接化合生成Cu3O4B．已知Na与H2O反应生成NaOH和H2，推测Fe与H2O反应生成Fe(OH)2和H2C．已知Fe能与CuSO4溶液反应，推测Fe与AgNO3溶液也能反应D．已知Na在常温下能与H2O反应，推测Fe在常温下也能与H2O反应【解题指南】解答本题需要注意以下两个方面：(1)金属钠及铁的化学性质；(2)钠的金属活动性(还原性)比铁强。【解析】选C。Fe与O2在点燃的条件下反应生成Fe3O4，Cu与O2反应生成CuO，故A错误；Fe与水蒸气反应生成Fe3O4和H2，故B错误；Fe是活泼金属，能把金属活动性顺序中位于其后的金属离子从其盐溶液中置换出来，故C正确；Na在常温下能与H2O反应，但是Fe与水在常温下不反应，故D错误。上题中，若将金属钠加入氯化亚铁溶液中，是否会置换出铁单质？(关键能力—分析与推测)提示：不会。钠与溶液中的水反应生成氢氧化钠与氢气，氢氧化钠与氯化亚铁溶液反应生成白色的氢氧化亚铁沉淀，氢氧化亚铁沉淀最终被氧化为红褐色的氢氧化铁沉淀。【误区警示】铁与其他物质反应易错点(1)铁在空气中不能燃烧；(2)铁在纯净的氧气中可以燃烧，其产物为Fe3O4，不是Fe2O3。(3)铁与酸反应不一定都生成Fe2＋，铁与弱氧化性酸相遇时生成Fe2＋，与强氧化性酸相遇时生成Fe3＋。某学习小组进行了如图所示的实验，实验后组员之间的交流不合理的是()A.甲同学认为试管b中收集到的气体可点燃，且产生淡蓝色火焰B．乙同学认为试管a中生成的黑色固体可能为四氧化三铁C．丙同学认为将少量还原性铁粉放入试管中，加适量的水，加热也可实现该反应D．丁同学认为用盐酸溶解固体生成物所得溶液有颜色【解析】选C。在高温下铁与水蒸气反应生成氢气和四氧化三铁。甲同学认为试管b中收集到的气体可点燃，且产生淡蓝色火焰，A正确；乙同学认为试管a中生成的黑色固体可能为四氧化三铁，B正确；铁与水不反应，应该是水蒸气，C错误；丁同学认为用盐酸溶解固体生成物得到氯化亚铁和氯化铁的混合溶液，溶液带有颜色，D正确。【补偿训练】如图所示，在硬质玻璃管中放入还原铁粉和石棉绒的混合物，加热并通入水蒸气，可完成高温下Fe与水蒸气反应的实验。回答下列问题：(1)写出有关反应的化学方程式：______________________________。(2)干燥管C中盛放的药品是____________，作用是________________________________________________________。(3)在D处画出用简单方法(用试管)收集氢气的装置图(所需其他仪器自选)。(4)圆底烧瓶中盛装的是水，该装置的主要作用是________________________________________；圆底烧瓶底部放入几片碎瓷片，碎瓷片的作用是________________________________。(5)实验开始时应先点燃__________，理由是____________________________。【解析】(1)书写化学方程式时，应注意H2O的状态与产物的成分。(2)应选固体干燥剂。(3)应采用向下排空气法收集，注意导管伸入的位置。(4)通过加热圆底烧瓶中的水获得水蒸气。(5)实验时，应先加热圆底烧瓶，产生的水蒸气排净装置中的空气后，再加热硬质玻璃管，防止铁粉被空气中的氧气氧化。答案：(1)3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2(2)碱石灰(或无水CaCl2等)除去H2中的水蒸气(3)如图所示(注意用向下排空气法，导管伸入试管底部)(4)为反应提供持续不断的水蒸气防止液体暴沸(5)酒精灯先点燃酒精灯，产生的水蒸气排净装置中的空气后，再点燃酒精喷灯，防止Fe与O2反应第五套人民币100元纸币对老版人民币部分图案做了适当调整，对整体防伪性能进行了提升。采用了磁性全埋安全线，采用了特殊磁性材料和先进技术，其特殊磁性材料中含有一种金属氧化物，它在磁码识别器上有磁性信号反应，机读性能更好。(1)该金属氧化物是____________(写化学式)。(2)糕点等食品包装中常加入一个装有脱氧剂的小袋，其作用是吸收氧气，使食物因缺氧而不变质，从而长期保存食品。铁脱氧剂就是利用铁易被氧化的性质来吸收氧气，最终产物是Fe2O3·3H2O。有关反应方程式如下：a．2Fe＋2H2O＋O2=2Fe(OH)2b．4Fe(OH)2＋2H2O＋O2=4Fe(OH)3c．2Fe(OH)3=Fe2O3·3H2O①铁脱氧剂使用后最终的颜色为______________。②以上反应中，属于氧化还原反应的是________(填编号)。③反应b的还原剂是____________(填化学式)。(3)近年来，我国以铁矿石为原料的产业发展迅猛，磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿等都得到了大力开发。①赤铁矿的主要成分是__________________。②工业上用焦炭和赤铁矿为原料炼铁，写出反应的化学方程式_____________________________________________。【解析】(1)根据信息，人民币采用的特殊磁性材料中含有一种金属氧化物，它在磁码识别器上有磁性信号反应，由此可辨别真伪，据此知道该氧化物具有磁性，具有磁性的物质是四氧化三铁。(2)①根据已知反应，铁脱氧剂使用后的产物是氧化铁，是一种红棕色的固体物质；②以上反应中，a、b中存在化合价的变化，属于氧化还原反应；③在反应4Fe(OH)2＋2H2O＋O2=4Fe(OH)3中，铁元素化合价升高了，氢氧化亚铁属于还原剂。(3)赤铁矿的主要成分为氧化铁，化学式为Fe2O3；焦炭燃烧生成CO2，CO2再与焦炭反应生成CO，CO与Fe2O3反应炼铁的化学方程式为3CO＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2。答案：(1)Fe3O4(2)①红棕色②ab③Fe(OH)2(3)①Fe2O3②C＋O2(足量)eq\o(=,\s\up7(点燃))CO2，CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO，3CO＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2氢氧化亚铁的制备氢氧化亚铁不稳定，工业上和生活上通常都是把它转化为氢氧化铁，再进行利用。某化学兴趣小组用如图所示装置制备氢氧化亚铁。将吸有NaOH溶液的胶头滴管悬空于试管上方，缓慢挤出NaOH溶液，均匀滴入试管中的FeSO4溶液中。该小组同学反映该试管中出现以下现象：试管中先生成白色沉淀，迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。氢氧化亚铁的制备方法(1)写出发生该现象的化学方程式：FeSO4＋2NaOH=Fe(OH)2↓＋Na2SO4、4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3。(2)利用该方法能否制备氢氧化亚铁：不能。(3)实验室要制取Fe(OH)2，关键是避免生成的Fe(OH)2接触O2。(4)该小组对制取装置进行了改进，取用最新配制的FeSO4溶液；NaOH溶液加热煮沸并冷却后使用，成功制得了氢氧化亚铁。①NaOH溶液要经过加热煮沸，目的是赶走溶解的氧气；②在FeSO4溶液表面覆盖一层苯，作用是隔绝空气中的氧气。制备Fe(OH)2时防氧化措施(1)将配制溶液的蒸馏水煮沸，驱除溶液中的氧气。(2)将盛有NaOH溶液的胶头滴管尖端插入试管的亚铁盐溶液底部，并慢慢挤出NaOH溶液。(3)在亚铁盐溶液上面充入保护气，如H2、N2、稀有气体等。(4)在亚铁盐溶液上面加保护层，如苯、植物油等。【误区警示】(1)氢氧化亚铁制备时所用水如不煮沸，其中会有氧气，制得的氢氧化亚铁易被氧化；(2)制得的氢氧化亚铁不能接触氧气等具有氧化性的物质，否则会被氧化变为红褐色。【思考讨论】下列各图示中，能较长时间观察到Fe(OH)2白色沉淀的是________。提示：①②④。因为Fe(OH)2在空气中容易被氧化为红褐色的Fe(OH)3，因此要较长时间看到Fe(OH)2白色沉淀，就要排除装置中的氧气(或空气)。①、②原理相同，都是先用氢气将装置中的空气排尽，并使生成的Fe(OH)2处在氢气的保护中；④中液面加苯阻止了空气进入；③由于带入空气中的氧气，能迅速将Fe(OH)2氧化，因而不能较长时间看到白色沉淀。【典例】(2021·南京高一检测)如图所示装置可用来制取和观察Fe(OH)2在空气中被氧化时颜色的变化。实验时必须使用铁屑和6mol·L－1的硫酸，其他试剂任选。填写下列空白：(1)B中盛一定量的NaOH溶液，A中应预先加入的试剂是____________，A中反应的离子方程式是_______________________________________________。(2)实验开始时先将止水夹E__________(填“打开”或“关闭”)，C中收集到气体的主要成分是__________。(3)简述生成Fe(OH)2的操作过程：____________________________________。(4)拔去装置B中的橡皮塞，使空气进入，写出有关反应的化学方程式：_______________________________________________。【思维建模】解答本类试题的思维流程如下：【解析】实验开始时先打开止水夹E，让生成的H2把A、B装置中的空气排出，让Fe(OH)2在H2气氛中生成，以便较长时间观察Fe(OH)2的颜色。H2充满B后关闭止水夹E，A中的FeSO4溶液沿竖直长导管进入B瓶，与NaOH反应。答案：(1)铁屑Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑(2)打开H2(3)关闭止水夹E，A中压强增大，把FeSO4溶液压入B瓶中进行反应(4)4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3(1)该装置防止Fe(OH)2被氧化的原理是什么？(关键能力——理解与辨析)提示：该装置用制备得到的氢气将装置内的空气排净，防止生成的Fe(OH)2与氧气接触。(2)该题第(3)小题操作后为什么烧瓶A中的溶液能够进入装置B？(关键能力——分析与推测)提示：关闭止水夹E，产生的氢气使烧瓶A内压强增大，在气压作用下FeSO4溶液被压入B瓶中进行反应。【易错提醒】(1)在装置B中加入NaOH溶液，加热煮沸1～2min立即加入2mL液体石蜡，该操作的目的是除去溶解在NaOH溶液中的O2，并防止O2再进入溶液。(2)在烧瓶A中加入稀硫酸和略微过量的铁粉，以保证溶液中Fe2＋不被氧化。(3)装置B中生成的Fe(OH)2遇到空气，则白色沉淀迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。某同学欲利用如图装置制取能较长时间存在的Fe(OH)2，其中实验所用溶液现配现用且蒸馏水先加热煮沸。下列分析正确的是()A.蒸馏烧瓶中反应的离子方程式是2Fe＋6H＋=3Fe2＋＋3H2↑B．实验开始时应先关闭止水夹a、打开b，再向烧瓶中加入稀盐酸C．反应一段时间后可在烧瓶中观察到白色沉淀D．反应结束后若关闭b及分液漏斗活塞，则Fe(OH)2可较长时间存在【解析】选D。蒸馏烧瓶中反应的离子方程式是Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑，故A错误；实验开始时应先打开止水夹a、b，利用生成的氢气将装置内的空气排出，然后关闭a，故B错误；利用氢气的压强将氯化亚铁压入锥形瓶中，NaOH与氯化亚铁反应生成Fe(OH)2，立即观察到白色沉淀，故C错误；反应结束后若关闭b及分液漏斗活塞，装置内空气及溶液中氧气均已除去，则Fe(OH)2可较长时间存在，故D正确。【加固训练——拔高】1．实验室用FeCl2和烧碱制备Fe(OH)2，为了使生成的产物不容易被氧化，下列说法不正确的是()A．配制FeCl2溶液和烧碱溶液所用的蒸馏水通常要煮沸B．可在FeCl2溶液的上面加一层植物油，以隔绝空气C．向FeCl2溶液中滴加烧碱溶液时，胶头滴管尖嘴不能伸入溶液内D．产生Fe(OH)2沉淀后，不能振荡试管【解析】选C。FeCl2溶液和烧碱溶液要现用现配，且配制溶液的蒸馏水要煮沸以除去氧气，确保Fe(OH)2在无氧环境中生成，A正确；在FeCl2溶液的上面加一层植物油，以隔绝空气，B正确；向FeCl2溶液中滴加烧碱溶液时，要将胶头滴管的尖嘴伸入FeCl2溶液中，防止氢氧化钠溶液在滴入时接触空气而溶有氧气，C错误；产生Fe(OH)2沉淀后，若振荡试管，会增大沉淀与空气接触的机会，使沉淀更易被氧化，D正确。2.(2021·聊城高一检测)在如图所示装置中，用不含O2的NaOH溶液、铁屑和稀硫酸制备。(1)在试管Ⅰ中加入的试剂是______________________________________。(2)在试管Ⅱ中加入的试剂是____________________________________。(3)为了制得白色Fe(OH)2沉淀，在试管Ⅰ和试管Ⅱ中加入试剂，打开止水夹，塞紧塞子后的实验步骤是______________________________________________________________________________。(4)这样生成的Fe(OH)2沉淀能较长时间保持白色，其理由是___________________________